陳慧欣，羅 園

（甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018）

高壓交流斷路器作為大容量試驗(yàn)操作控制的核心設(shè)備，因?yàn)椴僮鞔螖?shù)頻繁，要求開(kāi)斷控制精度高，開(kāi)斷電流大，單純的機(jī)械結(jié)構(gòu)高壓斷路器已經(jīng)不能夠滿足試驗(yàn)需求。固態(tài)斷路器作為一種特殊的控制高壓斷路器，可以利用電力電子器件和機(jī)械高壓斷路器的組合做到無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)斷，能夠在試驗(yàn)室頻繁操作，控制精度高，機(jī)械壽命長(zhǎng)，較普通斷路器有更多優(yōu)勢(shì)[1]。

該產(chǎn)品中電力電子器件采用串極并聯(lián)電容的設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)了每一級(jí)電壓的均衡分配?？刂齐娐凡捎脝纹瑱C(jī)控制，使得開(kāi)關(guān)的控制可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[2]。

該固態(tài)斷路器分?jǐn)嗄芰Ω?、開(kāi)斷時(shí)間短、機(jī)械壽命長(zhǎng)、容量大，能夠滿足大容量試驗(yàn)室實(shí)際使用的需要，可以成功地取代電器試驗(yàn)回路中的斷路器與接觸器的組合，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)飛弧，大大節(jié)省了電器試驗(yàn)回路的安裝空間，節(jié)省了限流裝置的使用，避免了限流裝置的能耗，節(jié)約了成本，有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 固態(tài)斷路器的理論背景

隨著電力系統(tǒng)配電自動(dòng)化和現(xiàn)代化工業(yè)以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)高壓斷路器的要求也越來(lái)越高，尤其是大容量短路試驗(yàn)室對(duì)于短路試驗(yàn)容量和試驗(yàn)關(guān)合角度的要求越來(lái)越嚴(yán)酷。

高壓交流斷路器作為大容量試驗(yàn)必備設(shè)備，要求操作次數(shù)頻繁、開(kāi)斷控制可靠、開(kāi)斷電流較大，而單純的機(jī)械結(jié)構(gòu)斷路器已不能夠很好地滿足試驗(yàn)操作的需要。高壓斷路器作為電力系統(tǒng)的重要控制和保護(hù)設(shè)備，對(duì)于維護(hù)電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的作用。目前，由于機(jī)械斷路器自身的限制，對(duì)于開(kāi)斷電壓高故障電流大的回路來(lái)說(shuō)著有一定的困難，尤其是大容量短路試驗(yàn)室經(jīng)常對(duì)12 kV、60 kA以上的電流進(jìn)行開(kāi)斷，這樣的開(kāi)斷要求對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的斷路器來(lái)說(shuō)有一定的困難，且開(kāi)斷次數(shù)受限，而智能化的固態(tài)斷路器就可以很好地解決這一問(wèn)題。

1.1 現(xiàn)階段研究與開(kāi)發(fā)的意義

目前的交流高壓斷路器都是利用交流電弧過(guò)零自然熄滅這一特性，通過(guò)改善滅弧介質(zhì)、吹弧、拉弧、并聯(lián)電阻等方式使得電弧熄滅，從而斷開(kāi)電路。而電弧是否熄滅取決于介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度和外施電壓的上升速度等因素，采用最廣泛的介質(zhì)是SF6，此種方式在頻繁的開(kāi)斷中會(huì)產(chǎn)生有毒氣體危害人體健康，尤其在短路容量試驗(yàn)室這種試驗(yàn)場(chǎng)合危害更大。該產(chǎn)品是利用電力電子器件的無(wú)觸電特性設(shè)計(jì)的一種開(kāi)關(guān)裝置，克服了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)斷路器的缺點(diǎn)，不會(huì)在電流開(kāi)通關(guān)斷瞬間產(chǎn)生電弧，再配合機(jī)械式斷路器一起工作。

隨著電力電子技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，利用電子電力器件做到斷路器無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)斷，對(duì)固態(tài)斷路器也可以實(shí)現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)化控制。由于智能電網(wǎng)不僅需要提前判斷電力故障，還需要有效切斷故障，使用固態(tài)斷路器就是一種有效控制方案。

1.2 國(guó)外同類先進(jìn)技術(shù)

在高壓固態(tài)斷路器的研究與開(kāi)發(fā)方面，發(fā)達(dá)國(guó)家處于技術(shù)領(lǐng)先地位。美國(guó)一科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)制造出15 kV大功率電力電子器件、600 A的高壓固態(tài)斷路器，該樣機(jī)能夠在4 ms內(nèi)完成開(kāi)斷。美國(guó)西屋電氣公司也研制出了13 kV、675 A的高壓固態(tài)斷路器，并在某變電所投入應(yīng)用；同時(shí)還有英國(guó)一電氣公司也研究開(kāi)發(fā)了13 kV的高壓固態(tài)斷路器，專門(mén)應(yīng)用于供配電系統(tǒng)。其他發(fā)達(dá)國(guó)家也專門(mén)開(kāi)展了高壓固態(tài)斷路器的研發(fā)，但大多數(shù)國(guó)家還處在進(jìn)行樣品的開(kāi)發(fā)，處于早期研究階段。英美研究開(kāi)發(fā)的高壓固態(tài)斷路器，其主要通過(guò)幾個(gè)數(shù)千伏耐壓的可關(guān)斷晶閘管（GTO）串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)斷功能，基本都能在數(shù)十毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)斷。

通過(guò)查閱各類文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[3-12]，理想的高壓固態(tài)斷路器應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

（1）穩(wěn)定性良好，開(kāi)斷速度快，能夠在幾毫秒甚至在微秒級(jí)別范圍內(nèi)開(kāi)斷。

（2）對(duì)開(kāi)斷的時(shí)刻應(yīng)能精準(zhǔn)控制。

（3）機(jī)械壽命及電壽命都盡可能長(zhǎng)，不受使用時(shí)間限制。

（4）能有效地控制各種故障電流。

（5）結(jié)構(gòu)及功能良好,保證無(wú)嚴(yán)重故障。

高壓固態(tài)斷路器速度雖然要比上述理想的高壓固態(tài)斷路器慢很多，需要數(shù)十個(gè)交流二線式固態(tài)開(kāi)關(guān)才能完成聯(lián)動(dòng)，但短路的開(kāi)斷時(shí)間完全能夠控制在數(shù)十微秒以內(nèi)，能有效地限制各種故障電流，短路分段能力雖然不能無(wú)限大，但能夠分?jǐn)嗟墓收想娏魇穷~定電流的數(shù)十至數(shù)百倍。并且，允許短路次數(shù)實(shí)際上不會(huì)受到限制?；旧夏軌蜻_(dá)到上面提到的理想高壓固態(tài)斷路器的條件。

1.3 固態(tài)斷路器技術(shù)分析

筆者單位根據(jù)實(shí)際需要采用6.5 kV，2 kA的IGCT器件12只單路一組串聯(lián)，后兩組再并聯(lián)的方式形成一相，設(shè)計(jì)相序任意時(shí)刻的控制電路，配合控制斷路器，來(lái)滿足試驗(yàn)控制需要。相比國(guó)外的技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）在一個(gè)工頻周期內(nèi)可以根據(jù)需要控制開(kāi)關(guān)合分閘的角度。

（2）通流能力強(qiáng)，器件功耗低，不需要大面積的散熱裝置。

（3）無(wú)機(jī)械機(jī)構(gòu)，控制操作無(wú)噪聲，無(wú)機(jī)械力沖擊。

（4）采用了自關(guān)斷器件，這樣斷路器就能夠在最短的時(shí)間內(nèi)切斷電流，給電器試驗(yàn)以更加可靠、安全的保護(hù)。

（5）配合機(jī)械結(jié)構(gòu)斷路器同時(shí)控制使用，大幅提高了控制和通流能力。

（6）在200 ms內(nèi)的通流能力可以達(dá)到50 kA，可控性強(qiáng)。

實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)飛弧，所以大大節(jié)省了電器試驗(yàn)回路的安裝空間，同時(shí)，可以用于礦山等要求防爆電器的嚴(yán)酷環(huán)境。

2 固態(tài)斷路器和傳統(tǒng)斷路器的區(qū)別

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1984規(guī)定高壓斷路器一般是指運(yùn)行在額定頻率50 Hz,額定電壓等級(jí)在3 kV以上的交流斷路器，高壓斷路器主要作用就是電網(wǎng)回路中開(kāi)斷和接通回路，來(lái)完成電網(wǎng)的配電功能。

傳統(tǒng)的高壓斷路器都是機(jī)械機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滅弧室中的動(dòng)靜觸頭做機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)切斷電流，使回路中產(chǎn)生斷口的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有高壓電路器主要有機(jī)械機(jī)構(gòu)和滅弧室等核心結(jié)構(gòu)組成。

我國(guó)目前的輸配電電網(wǎng)系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣泛的斷路器是GIS、少油斷路器、SF6斷路器、真空斷路器等。35 kV以下市場(chǎng)基本是真空斷路器，目前，真空斷路器的電壓等級(jí)也在逐步提升。

（1）固態(tài)斷路器。隨著電力電子技術(shù)以及現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，固態(tài)斷路器作為柔性配電技術(shù)也逐步進(jìn)入了人們的視野。固態(tài)斷路器是結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，朝著智能化的方向邁進(jìn)。固態(tài)斷路器主要由以下幾部分構(gòu)成：信號(hào)檢測(cè)與處理、主控模塊、冷卻模塊、電源模塊、開(kāi)關(guān)模塊，如圖1所示。

圖1 固態(tài)斷路器控制結(jié)構(gòu)圖

（2）固態(tài)斷路器的工作原理。固態(tài)斷路器工作是通過(guò)檢測(cè)模塊，電壓互感器、霍爾原件等檢測(cè)到電壓電流信號(hào)后，系統(tǒng)把檢測(cè)到的信號(hào)送入控制單元，控制單元根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)波形，符合接通或者開(kāi)斷條件時(shí)做出判斷，根據(jù)波形的位置條件在合適的角度接通或者開(kāi)斷。信號(hào)單元先是對(duì)采集到的波形進(jìn)行濾波處理，送入AD模塊經(jīng)過(guò)處理，根據(jù)控制信號(hào)的控制要求角度進(jìn)行合分操作。因此，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，控制單元檢測(cè)到信號(hào)后，迅速做出動(dòng)作，固態(tài)斷路器迅速斷開(kāi)，其開(kāi)斷速度可以達(dá)到毫秒級(jí)。

3 固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)的固態(tài)斷路器是將電力電子器件通過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)的方式連接在一起，通過(guò)串聯(lián)的模式提高電壓等級(jí)，通過(guò)并聯(lián)的形式形成交流控制模型，可以通過(guò)交流電流的開(kāi)關(guān)。如果晶閘管是常規(guī)的硅整流管（SCR），則開(kāi)關(guān)在交流電流第1次過(guò)零點(diǎn)時(shí)斷開(kāi)回路，這將形成幾毫秒的時(shí)延。但是，采用門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO），則能夠在一瞬間切斷電流。其原理如圖2所示。

圖2 固態(tài)斷路器原理接線圖

正常運(yùn)行時(shí)，GTO導(dǎo)通的同時(shí)旁路斷路器同時(shí)動(dòng)作合閘，先是固態(tài)斷路器合閘然后是旁路斷路器合閘接通電流，降低固態(tài)斷路器長(zhǎng)時(shí)間工作的負(fù)擔(dān)，一旦檢測(cè)到故障，控制系統(tǒng)向GTO門(mén)極發(fā)出關(guān)斷脈沖，旁路斷路器和固態(tài)斷路器同時(shí)接受分閘信號(hào)，旁路斷路器先分閘，等待分閘到位后，固態(tài)斷路器在幾個(gè)毫秒內(nèi)，尋找故障電流的過(guò)零點(diǎn)切斷故障電流，因此，能夠很好地抑制電網(wǎng)電壓的跌落以及各種故障電流造成的嚴(yán)重?fù)p失。

晶閘管常用于大容量試驗(yàn)的固態(tài)斷路器，如圖3所示。工作原理是，先設(shè)定該定值，在發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)故障電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)使得CK開(kāi)始放電，電流經(jīng)過(guò)T1、T2、LK回路，同時(shí)晶閘管T1截止，D續(xù)流，C于回路電感產(chǎn)生震蕩，放電電流經(jīng)過(guò)第一個(gè)電流零點(diǎn)時(shí)，T2關(guān)斷，控制結(jié)束。

圖3 晶閘管型斷路器的開(kāi)關(guān)模塊

高壓固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先，斷路器采集高壓母線上的重要信號(hào)，如電壓和電路信號(hào)，也可以通過(guò)采用同步信號(hào)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)裝換，輸入到單片機(jī)，控制之前需要輸入對(duì)控制信號(hào)的控制角度，單片機(jī)在接受控制信號(hào)之后首先判斷需要控制合分的角度位置，在接收到當(dāng)前控制信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)就能做出控制動(dòng)作，最長(zhǎng)的控制動(dòng)作可以在20 ms內(nèi)完成，單片機(jī)采用100 MHz的控制頻率，采用高速數(shù)模裝換芯片，能夠有效、高速、及時(shí)地做出反應(yīng)。

圖4 固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)

控制回路模塊采用單獨(dú)的電池電源供電，整體封裝在一個(gè)金屬盒子內(nèi)，可以有效提高其抗干擾能力。單獨(dú)的電池電源為其保證了在高壓回路中的安全性，避免控制回路受到高壓電源波動(dòng)的影響。其余控制接口采用光電模塊信號(hào)，使得控制更加精確、時(shí)延極短，基本在20μS內(nèi)做出反應(yīng)。

4 結(jié)論

固態(tài)斷路器開(kāi)發(fā)和應(yīng)用對(duì)于電力系統(tǒng)或者大容量試驗(yàn)室短路開(kāi)端試驗(yàn)有著不可或缺的意義。

（1）此次開(kāi)發(fā)的基于電力電子技術(shù)的固態(tài)斷路器采用了自關(guān)斷器件，這樣斷路器就能夠在最短的時(shí)間內(nèi)切斷電流，給電器試驗(yàn)以更加可靠、安全的保護(hù)。

（2）電器試驗(yàn)電壓及電流的調(diào)節(jié)可以通過(guò)斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于固態(tài)斷路器具有短路開(kāi)斷的功能，開(kāi)斷的極限次數(shù)遠(yuǎn)大于任何機(jī)械式開(kāi)關(guān)，所以，本固態(tài)斷路器成功取代了電器試驗(yàn)回路中的斷路器與接觸器的組合。

（3）實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)飛弧，大大節(jié)省了電器試驗(yàn)回路的安裝空間，同時(shí)，也可以用于礦山等要求防爆電器的嚴(yán)酷環(huán)境。

（4）短路開(kāi)斷時(shí)間能控制在幾十毫秒以內(nèi)，因此，不需要電抗限流器或超導(dǎo)限流器，節(jié)省了限流裝置的使用，避免了限流裝置的能耗，節(jié)約了成本。